真实路面激励下拖车车架瞬态动力学分析.pdf

第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言随着时代的发展，车辆设计过程中更多地引入了轻量化设计1-2，轻量化设计仍需保证车辆行驶的安全性。汽车在运动过程中产生的振动是造成零部件失效的主要原因3-4，汽车振动主要引起零件的疲劳失效5。车架是车辆组成中的重要部件，车架不仅在静止状态下，更要在运动情形下保证安全性要求。目前大多数研究集中于软件的静力学模拟。一方面缺乏对结构的动力学评估，另一方面缺乏实际路面数据的收集和验证。本文通过实际道路测试采集道路谱，结合软件模拟最终优选出同时满足可靠性和轻量化要求的设计方案，为类似领域的设计提供新的思路。1 车架动力学分析通过 ADAMS 和 ANSYSWorkbench 软件完成分析，在 ADAMS 中得到加载力文件，并最终在Workbench 中完成分析工作6。ADAMS 是一款运动学和动力学应用软件，在其应用领域具有优势垄断地位7，其客户分布在飞机设计、汽车工业、通用机械等领域。随着计算机学科对工业界的不断推动，传统行业中运用的计算机软件种类越来越多，其最新代表产品之一就是ANSYSWorkbench 软件8。ANSYSWorkbench 工作流程如图 1 所示。doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.026真实路面激励下拖车车架瞬态动力学分析石凯飞（200092上海市中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所）摘要 在某拖车车架研制过程中要求在满足可靠性基础上尽量采用轻量化设计，为此通过实际道路测试得出车架的外部激励条件，使用ADAMS软件得出车架所受动载荷谱，通过ANSYSWorkbench得出3种形式车架在搓板路况、石块路况以及鹅卵石路况下的应力变形。总结相同路面工况下不同车架强度指标分布规律，分析薄弱位置进行优化设计防止破坏，并分析同一车架在3种不同路况下应力、应变变化规律，最终优选出组合型车架为最优设计方案。关键词 轻型拖车；车架；瞬态动力学分析 中图分类号 U463.32 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0130-06引用格式：石凯飞.真实路面激励下拖车车架瞬态动力学分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):130-134,154.Transient dynamic analysis of trailer frame under real road excitationSHIKaifei（FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)AbstractInthedevelopmentofatrailerframe,itwasrequiredtoadoptlightweightdesignwhilemeetingtherequirementsforreliability.Therefore,theexternalexcitationconditionsoftheframewereobtainedthroughtheactualroadtest,thedynamicloadspectrumoftheframewasobtainedusingADAMSsoftware,andthestressanddeformationofthreeformsofframeundertheconditionsofwashboardroad,stoneroadandcobblestoneroadwereobtainedthroughANSYSWorkbenchsoftware.Thedistributionlawofdifferentframestrengthindexesunderthesameroadconditionswassummarized,theweakpositionwasanalyzed,thedesigntopreventdamage,andanalyzethestress-strainvariationlawofthesameframeunderthreedifferentroadconditionswasoptimized,andfinallythecombinedframewasselectedastheoptimaldesignscheme.Key wordslighttrailer;frame;transientdynamicanalysis收稿日期：2022-06-29创建/导入几何体处理几何体网格划分求解草图和平面3D操作（拉伸、旋转、扫掠等）导入几何体CAD 软件协同建模3D 操作（布尔运算、简化模型等）网格方式局部网格设定整体网络设置图 1 ANSYS Workbench 工作流程图Fig.1 ANSYS Workbench workflow diagram131第 61 卷第 8 期1.1 车架受力仿真分析1.1.1 车架实体模型的建立通过 ADAMS 将约束副添加到三维模型中，根据实际产品属性在软件中设置质量参数9-10。如图2 所示。1.1.2 车架约束与驱动分析在整车约束中，共用到转动副、移动副、球绞副和固定副 4 种运动副。整车各部件约束施加如表 1 所示11-14。表 1 整车各部件约束施加Tab.1 Restraint application of all parts of the whole vehicle名称定义零件数量作用固定约束负载车厢与车架连接处4将负载车厢与车架固结固定约束施加在杆系与地面连接处1将杆系与地面固结移动副施加在左右两轮胎处2约束轮胎 3 个旋转和1 个移动自由度驱动副施加在移动副上2施加路面激励万向副施加在牵引架与杆系连接处1约束牵引架 1 个旋转和 3 个移动自由度1.1.3 提取不同工况载荷谱通过现场路面测试得到不同路况对车架的激励。根据项目中车型装配的悬架系统的产品参数，确定了刚度阻尼系数。由于该车架是两轮受载，因此在不同的车轮上施加不同的驱动，将时域激励信号导入 ADAMS/V 中，生成样条函数。在 ADAMS 中，把激励文件加载到车轮位置的弹簧上，进行 10s 动态仿真分析，得到力随时间变化的载荷谱如图 3 所示，将载荷谱以记事本文件格式提取出来用于 Workbench 中，进行瞬态分析。1.2 Workbench 瞬态动力学分析本文根据拖车的实际行驶情况，结合车架受到载荷和约束的差异，对其在鹅卵石路、搓板路和石块路 3 种典型行驶路面工况下施加不同的边界条件和载荷，分别进行分析。首先以 C 型车架为例。1.2.1 鹅卵石路面工况（1）ADAMS 仿真条件及结果通过振动测试得到鹅卵石路的车体轮胎轴心处的振动加速度，并积分出振动位移，即得到鹅卵石路的道路谱，将此道路谱作为 ADAMS 仿真的激励条件输入到路面激励中，作为仿真模型的激励，进行动力学仿真，得到左侧和右侧悬架对车体的作用力，并输出该作用力如图 4 所示。图 2 ADAMS 车架模型 Fig.2 ADAMS Frame Model30000.018750.07500.00.0-3750.0-15000.0力/N1.003.255.507.7510.00时间/s左轮右轮（a）（c）图 3 3 种路况下的载荷谱图像Fig.3 Load spectrum images of three road conditions（a）石块路（b）鹅卵石路（c）搓板路0.02.55.07.510.0时间/s25000.020000.015000.010000.05000.0力/N左轮右轮（b）0.01.252.503.755.00时间/s35000.020000.05000.00.0-10000.0力/N左轮右轮图 4 鹅卵石路况下左侧和右侧悬架对车体的作用力Fig.4 Force of left and right suspension on car body under cobblestone condition25000.020000.015000.010000.05000.0左轮右轮0.02.55.07.510.0时间/s力/N石凯飞：真实路面激励下拖车车架瞬态动力学分析132农业装备与车辆工程 2023 年（2）ANSYS 应力分析结果根据拖挂式拖车在弯曲工况下的行驶情况，约束牵引处所有的平动自由度，约束左边悬架除竖直方向的平动自由度，约束右边悬架处竖直方向的平动自由度。处理后的模型如图 5 所示，求解得到变形情况如图 6，应力情况如图 7 所示。由图6可知，车架尾部横梁变形值约为8.5mm。车架除车架尾部变形较大外，大部分结构的变形均在 5mm以下。由图 7、图 8 得，车架最大应力出现在牵引架与侧梁的相交处，最大应力值为230MPa，但这也主要是由于侧梁存在尖端，存在应力集中导致边角处应力高达 230MPa，实际生产中适当对横梁边角处倒圆角会减少应力集中现象。如 7 图所示，车架主纵梁中间部分应力较大，应力值约为80MPa，中间横梁部位应力也较大，约为 60MPa。另外车架两根主纵梁与各横梁接触的部分应力值在20100MPa之间，其余部分应力值均在30MPa以下。考虑车架材料屈服应力达到 235MPa，车架结构符合强度要求。1.2.2 搓板路路面工况（1）ADAMS 仿真条件及结果通过振动测试得到搓板路的车体轮胎轴心处的振动加速度，通过对加速度进行二次积分得到车体轮胎轴心处的振动位移，即得到搓板路的道路谱，将此道路谱作为 ADAMS 仿真的激励条件输入到路面激励中，作为仿真模型的激励，进行动力学仿真，得到左侧和右侧悬架对车体的作用力，并输出该作用力如图 9 所示。（2）ANSYS 应力分析结果约束条件同鹅卵石路况，得到有限元模型如图 10 所示。求解得到变形情况如图 11，应力情况如图 12 所示。观察搓板路路况下 C 型车架的整体变形云图 11 可得，车架尾部横梁最大变形值约为29.95mm，除车架尾部变形较大外，大部分结构的变形均在16.6mm以下。整体应力分布如图12所示，各部分应力分布如图 13 所示。图 12 和图 13 显示了最大应力出现在牵引架与侧梁的相交处，最大应力值为232MPa，这主要是由于侧梁存在尖端，存在应力集中导致边角处应力高达 232MPa，实际生产中适当对横梁边角处倒圆角会减少应力集中的现象。如图所示，车架位于主0.0000.5001.000(m)0.2500.750图 5 鹅卵石路况下车架有限元模型Fig.5 Finite element model of vehicle frame under cobblestone condition图 9 搓板路路况下左侧和右侧悬架对车体的作用力Fig.9 Force exerted by left and right suspensionson vehicle body under washboard road conditions50000.035000.020000.05000.00.0-10000.00.01.252.503.755.00时间/s左轮右轮力/N图 6 鹅卵石路况下 C 型车架位移云图Fig.6 C-frame displacement cloud image under cobblestone condition0.0000.5001.000(m)0.2500.750ZYX0.0085067Max0.00756150.00661630.00567110.00472590.00378070.00283560.00189040.000945180Min图 7 鹅卵石路况下 C 型车架应力云图Fig.7 Stress Nephogram of C-frame under cobblestone condition0.0000.5001.000(m)0.2500.750ZYX2.3005e8Max2.045e81.7896e81.5341e81.2786e81.0232e87.6769e75.1222e72.5675e71.2803e5Min图 8 车架各部分应力分布情况Fig.8 Stress distribution of each part of the frame9.0614e7Max8.213e77.2145e76.214e75.2134e74.2251e73.2247e72.2213e71.2157e71.0254e5Min2.21117e8Max1.8794e81.6464e81.4128e81.2411e88.4541e77.2543e74.8729e72.5454e72.7192e4Min6.046e7Max5.3683e74.7294e74.0706e73.4127e72.7543e72.097e71.4193e77.8124e61.2544e5Min1.0432e8Max9.347e78.2115e77.0150e75.8704e74.3148e73.5290e72.8738e71.2082e74.2143MinMinMinMinMinMaxMaxMaxMax左纵梁前横梁后横梁右纵梁133第 61 卷第 8 期纵梁中间部分应力较大，应力值约为100MPa，中间横梁部位应力也较大，约为 50MPa，另外车架2 根主纵梁与各横梁接触的部分应力值在20160MPa之间，其余部分应力值均在50MPa以下。如前所述考虑材料许用应力，车架结构强度要求合格，安全系数达到 1.47。1.2.3 石块路路面工况（1）ADAMS 仿真条件及结果通过振动测试得到石块路的车体轮胎轴心处的振动加速度，通过对加速度进行二次积分得到车体轮胎轴心处的振动位移，即得到石块路的道路谱，将此道路谱作为 ADAMS 仿真的激励条件输入到路面激励中，作为仿真模型的激励，进行动力学仿真，得到左侧和右侧悬架对车体的作用力，并输出该作用力如图 14 所示。（2）ANSYS 应力分析结果约束条件同鹅卵石路况，处理后的模型如图15 所示。求解得到变形情况如图 16，应力情况如图 17 所示。观察石块路路况下组合型车架的整体变形云图 16 可知，车架尾部横梁最大变形值约为25.338mm，其余大部分结构的变形均在 13.9mm以下。整体应力和各部分应力分布如图17和图18所示。图 10 搓板路路况下 C 型车架有限元模型Fig.10 Finite element model of C-frame under washboard road condition0.0000.5001.000(m)0.2500.750图 11 搓板路路况下 C 型车架位移云图Fig.11 Displacement cloud diagram of C-frame under washboard road condition图 12 搓板路路况下 C 型车架应力云图Fig.12 C-frame stress nephogram under washboard road conditionZYX0.0000.5001.000(m)0.2500.7500.02995Max0.0266220.0232940.0199670.0166390.0133110.00998330.00665550.00332780Min0.0000.5001.000(m)0.2500.7502.3291e8Max2.0703e81.8115e81.5527e81.2939e81.0352e87.7638e75.1759e72.5881e72538.4MinYX图 14 石块路路况下左侧和右侧悬架对车体的作用力Fig.14 Force of left and right suspension on car body under stone road condition30000.018750.07500.00.0-3750.0-15000.01.03.255.507.7510.00时间/s左轮右轮力/N图 13 车架各部分应力分布情况Fig.13 Stress distribution of each part of the frame2.2464e8Max1.1081e89.6984e78.3155e76.9327e75.5499e74.167e72.7842e71.4014e71.8524e5MinMinMax左纵梁1.281e8Max1.0945e89.5807e78.2162e76.8516e75.487e74.1224e72.7579e71.3933e72.8727e5MinMinMax前横梁2.4882e8Max2.2141e81.94e81.6659e81.3918e81.1177e88.4362e75.6952e72.9547e72.1815e6MinMinMax后横梁1.231e8Max1.0945e89.5807e78.2162e76.8516e75.487e74.1224e72.7579e71.3933e72.8727e5MinMinMax右纵梁图 15 石块路路况下 C 形车架有限元模型Fig.15 Finite element model of C-frame under stone road condition0.0000.5001.000(m)0.2500.750图 16 石块路路况下 C 形车架位移云图Fig.16 C-frame displacement cloud diagram under stone road condition0.0000.5001.000(m)0.2500.750ZYX0.025338Max0.0225220.0197070.0168920.0140760.0112610.00844580.00563060.00281530Min石凯飞：真实路面激励下拖车车架瞬态动力学分析134农业装备与车辆工程 2023 年由图 17 和图 18 可得，牵引架与侧梁的相交处最大应力值为232MPa，主要是由于侧梁存在尖端，存在应力集中导致边角处应力高达 232MPa，实际生产中适当对横梁边角处倒圆角会减少应力集中的现象。如图 17 所示，车架位于主纵梁中间部分应力较大，应力值约为100MPa，中间横梁部位应力也较大，约为 100MPa，另外车架 2 根主纵梁与各横梁接触的部分应力值在20160MPa之间，其余部分应力值均在 40MPa以下。如上文所述，考虑材料许用应力，车架结构强度满足要求，安全系数达到 1.47。2 3 种车架的受力比较同理可得矩形车架和组合型车架在不同路况下的强度表现。对比分析 3 种车架形式下 3 种工况的车架应力变形，结果如表 2表 4 所示。表 2 C 型车架应力应变计算结果Tab.2 C-frame stress and strain calculation results工况最大变形/mm车架一般应力水平/MPa主纵梁一般应力/MPa中间横梁一般应力/MPa牵引处一般应力水平/MPa鹅卵路况 24.3282010050100108020130搓板路况 29.95020180301202012020160石块路况 25.33820160401101010020150表 3 矩形车架应力应变计算结果 Tab.3 Stress and strain calculation results of rectangular frame工况最大变形/mm车架一般应力水平/MPa主纵梁一般应力/MPa中间横梁一般应力/MPa牵引处一般应力水平/MPa鹅卵路况7.6020801070207010120搓板路况8.052012010902010020140石块路况6.50201101080208015130表 4“矩形+C 型”组合车架应力应变计算结果Tab.4 Calculation results of stress and strain of Rectangular C-type composite frame工况最大变形/mm车架一般应力水平/MPa主纵梁一般应力/MPa中间横梁一般应力/MPa牵引处一般应力水平/MPa鹅卵路况8.5020702060206020120搓板路况 10.30201002080209020160石块路况9.04209020702080201603 结论（1）将 C 形、矩形、组合型的车架进行动力学仿真，模拟拖车在受到路面垂直激励的运动过程，得出车架所受动载荷谱，并对车架进行分析计算，得到了各种工况下的应力变形。（2）相同路面工况下，C 型应力及变形最大，矩形应力及变形最小，且应力最大主要出现在主纵梁及各横梁连接处以及牵引横梁的牵引处，针对这几个薄弱的部位应该进行结构优化设计，提高强度，防止破坏。（3）相同型号的车架下，车架在搓板路况、石块路况以及鹅卵石路况下的最大应力应变依次减小，而车架各部位所受应力水平也在不同程度减小。（4）根据实际测试和软件仿真结果，最终采用组合型车架为满足可靠性和轻量化设计要求的最优设计方案。参考文献1韦志林,黄昶春,沈光烈,等.重型载货车车架减重设计中的若干技术措施 J.机械设计.2008(08):67-69.图 17 石块路路况下 C 形车架应力云图Fig.17 C-frame stress nephogram under stone road condition0.0000.5001.000(m)0.2500.750ZYX2.3244e9Max2.1027e92.0726e81.1677e84.4377e71.6865e76.4091e62.4357e69.2564e53.5178e51.3369e550805193087337.60Min1.0424e8Max9.2641e78.1127e76.9565e75.8004e74.645e73.4822e72.3335e71.1777e72.1974e5MinMinMax左纵梁2.4977e10Max2.2201e101.9421e101.6652e101.3876e101.1101e108.3257e95.5504e92.7754e92.9777e5Min右纵梁MinMax图 18 车架各部分应力分布情况Fig.18 Stress distribution of each part of the frame前横梁2.2686e8Max2.0186e81.7686e81.5187e81.2687e81.0187e87.6875e75.1878e72.6881e72.8839e5MinMax5.703e7Max5.0805e74.4599e73.8394e73.2188e72.5963e71.9777e71.3572e77.3658e62.1608e6Min后横梁MinMaxMin（下转第 154 页）154农业装备与车辆工程 2023 年经 20 组测试，平均时间差在 32ms，最长时间间隔 42ms，说明该系统实时性较高，满足系统要求。5 结语本文设计了垃圾抓斗远程监控系统，采用LoRa 通信技术实现数据通信和数据长距离数据传输，并且在垃圾贮坑中能长时间稳定工作。通过Web 端监控系统实现了对抓斗工作状态的实时数据监测和环境数据监测，提高信息的融合程度。通过测试发现，在 1.5km 范围内，实现丢包率 10%以下，实时性间隔在 32ms 左右，表明该监测系统具有较高的运行稳定性与实时性、操作维护简单、适用范围广，满足工业实际的需求。参考文献1孙鹏.液压抓斗工作状态在线监测与诊断系统研究与开发 D.上海:上海工程技术大学,2017.2滕雪刚.港口起重机抓斗测试系统及控制策略研究 D.武汉:武汉理工大学,2012.3程毅.桥式抓斗卸船机状态监测及故障预警研究 D.杭州:浙江工业大学,2019.4沈嘉璐.基于微信的大型垃圾场自动消杀远程控制系统研究D.杨凌:西北农林科技大学,2019.5蔡梦扬,宋庭新.基于 LoRa 技术的智能航标监管系统设计与实现 J.软件导刊,2020,19(4):143-146.6张敏,周治平.基于 LoRa 的远程监测系统设计 J.传感器与微系统,2019,38(07):95-98.7杨智,刘永宽,龚元明，等.液压抓斗工作参数在线监测与管理系统 J.起重运输机械,2019(16):36-39.8姚引娣，王磊，花静云，等.基于 B/S 架构的 LoRa 远程温室监测系统 J.传感器与微系统,2021,40(01):78-80,84.9赵文举.低功耗广覆盖 LoRa 系统的研究与应用 D.北京:北京邮电大学,2019.10 魏源通，戴亚文.基于 LoRa 的工业监测自组网系统设计 J.计算机测量与控制,2019,27(2):225-228.作者简介 赵宇航（1998-），男，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统设计。E-mail：通信作者 龚元明（1964-），男，教授，硕士研究生导师，研究方向：汽车电子控制。E-mail：gongyuanmingtsinghua.org2宋镜瀛，冯本义，李保成.车架断裂的原因分析与补救 J.汽车工程,1981(4):51-53.3万国睿.多功能电动汽车底盘的动力学仿真 D唐山:华北理工大学,20164谢荣曾,吴裕龙,吴岸洲，等大学生电动方程式赛车车架优化设计 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